孿生地球？為什么建造，如何建造？

科學(xué)家們?yōu)槟M可能發(fā)生的自然災(zāi)害造出了一個(gè)“孿生的數(shù)字地球”

科學(xué)家們想通過模擬各種各樣的氣候條件來幫助防止地球上存在的生命危險(xiǎn)的發(fā)生。

（圖解：科學(xué)家們希望能通過數(shù)字地球來預(yù)測(cè)自然災(zāi)害。圖源：Getty Images）

大家在中學(xué)都學(xué)過一個(gè)詞：水循環(huán)。就算你可能不太記得關(guān)于這個(gè)詞你究竟學(xué)過些什么，但你一定對(duì)那些異彩紛呈又極具創(chuàng)造力的視頻和圖片印象深刻，正是它們使得我們枯燥的高中生活有了些許樂趣。對(duì)于某些人（包括我）而言，這實(shí)在很難忘記。盡管在成年人的世界里，水循環(huán)的三個(gè)階段思考起來也十分簡潔明了：蒸發(fā)，冷凝，降水。它們也一遍遍地在我們的腦海里循環(huán)。

（圖源：ftourcn.isenlin）

水是占據(jù)71%地表的物質(zhì)，其中海水有97%，沒了水地球行將毀滅。話雖如此，但是當(dāng)氣候持續(xù)變化時(shí)，水循環(huán)的整個(gè)過程會(huì)變得十分復(fù)雜，而諸如燃燒煤炭這樣的人類活動(dòng)，和其他各種各樣我們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)社會(huì)造成的影響就是引起氣候變化的元兇。我自己作為一名氣象預(yù)報(bào)學(xué)家，我十分清楚在預(yù)測(cè)洪水，山體滑坡，干旱等與水有關(guān)的自然災(zāi)害時(shí)，我們面臨著多大的挑戰(zhàn)。

（圖解：干旱。圖源：zgggzx）

（圖解：山體滑坡。圖源：China Daily）

所以為了讓科學(xué)家盡可能精確地預(yù)報(bào)天氣并且搞懂水循環(huán)的運(yùn)作方式，我們需要一個(gè)有著大量高精度數(shù)據(jù)的模型并對(duì)它進(jìn)行分析。這些數(shù)據(jù)也必須覆蓋地球的每一個(gè)角落，從高山之巔到埋藏在地底深處的水源。

由此，多虧了歐航局提供的基金，科學(xué)家們正在建造這種模型——一個(gè)數(shù)字孿生地球，有著地球上所有已知的，我們這些令人可喜的水資源。

國家研究委員會(huì)的Luca Brocca在一次演說中指出：“想要高精度地模擬地球十分困難，基礎(chǔ)就是最開始聚焦于一個(gè)特定的觀測(cè)目標(biāo)。所以，我們的數(shù)字孿生地球就先研究地中海盆地的水循環(huán)情況。我們的目的是開發(fā)一個(gè)無需專家、決策制定者和市民的系統(tǒng)，來運(yùn)行交互式模擬?！?/p>

Brocca是一篇對(duì)該研究深入探討的文章的主要作者，他與同事們合作創(chuàng)建了數(shù)字孿生模型。有了這個(gè)模型后，科學(xué)家們就能持續(xù)地向其中導(dǎo)入新的數(shù)據(jù)來模擬最佳狀況、最壞情況和在地球上不同環(huán)境中的自然災(zāi)害。例如，通過復(fù)刻一次塌方，與之相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)和可能伴隨出現(xiàn)的情形就能被檢測(cè)到，與現(xiàn)實(shí)情況并無差別。在未來，這個(gè)模型通過大量測(cè)試進(jìn)行學(xué)習(xí)后，對(duì)于潛在的毀滅性災(zāi)害的預(yù)防和準(zhǔn)備，它能發(fā)揮起作用。

所以，這個(gè)模型是如何建成的呢？

（圖解：圖中展示了從1880年以來的NASA記錄的每年全球平均氣溫，可以看出氣溫穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。圖源：NASA）

對(duì)于科學(xué)家來說，從大量的地球觀測(cè)中盡可能多地收集和利用行星數(shù)據(jù)需要花費(fèi)大量的工作。不僅如此，他們還要將土壤濕度，降水量，雪層深度，蒸發(fā)量和河流流量等數(shù)據(jù)綜合在一起，從而清晰地展現(xiàn)出全球變量的動(dòng)態(tài)。所以，這個(gè)模型的高精度數(shù)據(jù)就可以作為一個(gè)交互式工具為科學(xué)家所用。

Brocca說：“這個(gè)項(xiàng)目是前沿的衛(wèi)星任務(wù)和科學(xué)團(tuán)體結(jié)合的生動(dòng)案例。像這樣的合作，再加上對(duì)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的投資，對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和其他人類活動(dòng)造成的影響來說至關(guān)重要?！?/p>

與任何類型的模型一樣，這個(gè)模型也需要大量的實(shí)踐來打磨，但無論如何，我們應(yīng)該邁出第一步。

作為開端，Brocca和同事們利用這個(gè)數(shù)字孿生地球模擬了意大利北部的波河流域和地中海盆地的其他地區(qū)。他們未來有計(jì)劃，在和來自其他大陸的科學(xué)家合作前，建立起針對(duì)整個(gè)的相似模型。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是幫助預(yù)測(cè)哪里可能發(fā)生洪水和山體滑坡，并學(xué)習(xí)如何更好地管理我們的水資源。

Brocca說：“我們應(yīng)該從自己熟知的地方起步，波河流域情況十分復(fù)雜，那里有阿爾卑斯山脈，還有雪，這些模擬起來都很困難，特別是在那些在像山脈這樣非常規(guī)的地形中。此外，有的山谷中有著各種各樣的人類活動(dòng)——例如工業(yè)和水利工程；有的河流會(huì)發(fā)出現(xiàn)極端狀況，比如旱澇災(zāi)害。于是我們將目光轉(zhuǎn)移到了地中海區(qū)域，這個(gè)地方對(duì)于水太多或者水很少的極端條件來說都很好調(diào)查?！?/p>

（圖解：意大利波河流域。圖源：sina）

該團(tuán)隊(duì)的模型主要是針對(duì)大的區(qū)域，但他們有計(jì)劃進(jìn)行更地域化的研究。但目前而言，科學(xué)家們需要持續(xù)關(guān)注他們的運(yùn)行機(jī)制中最大最持久的挑戰(zhàn)。例如，隨著大量數(shù)據(jù)持續(xù)進(jìn)入體系，他們建立的復(fù)雜算法需要維護(hù)；此外，他們還需要更多的地面觀測(cè)來證實(shí)他們所用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

同樣地，為了應(yīng)對(duì)使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的各種不確定性，Brocca希望能過在他的項(xiàng)目中加入AI（人工智能），以便消除一些困難。在這種情況下，AI如果被訓(xùn)練地很好，它將成為一雙額外的眼睛。正如我們?cè)谄渌鞖饽Ｐ椭幸娺^的AI，比如預(yù)測(cè)火災(zāi)中的AI，該模型與AI結(jié)合有很多益處，比如減小由衛(wèi)星拍攝照片時(shí)的大氣變化引起的誤差。應(yīng)用AI同時(shí)也可以節(jié)省時(shí)間，使人類工程師得以專注于其他需要關(guān)注的領(lǐng)域。

Brocca指出：“這次科學(xué)家，航天局，決策制定者之間的合作引領(lǐng)我們走向一個(gè)有前景的未來——在那里為水文學(xué)而生的數(shù)字孿生地球能夠?yàn)榭沙掷m(xù)的水資源管理和災(zāi)害抵抗力提供寶貴的見解?！?/p>

BY:Meredith Garofalo

FY:Stella Zhang（張姝鈴）

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